JP4974756B2

JP4974756B2 - 太陽電池素子の製造方法

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Publication number: JP4974756B2
Application number: JP2007124433A
Authority: JP
Inventors: 正洋藤川; 繁松野; 大介新延
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-05-09
Also published as: JP2008282912A

Description

この発明は、太陽電池素子の製造方法に関するものである。

従来、微細な凹凸を有する粗面をｐ型シリコン基板の表面に形成し、粗面の所定の部分に電極を設けた太陽電池素子が知られている。この従来の太陽電池素子では、ｐ型シリコン基板による光の反射が粗面により抑えられるので、ｐ型シリコン基板が光を効果的に取り入れることができ、光から電気への変換効率の向上を図ることができる。また、ｐ型シリコン基板の粗面の電極が設けられた部分には、ｎ型高濃度拡散領域が形成されている。また、ｐ型シリコン基板の粗面の電極以外の部分には、ｎ型低濃度拡散領域が形成されている。ｎ型高濃度拡散領域では、不純物が高濃度で拡散されており、電気抵抗が低くなっている。ｎ型低濃度拡散領域では、不純物が低濃度で拡散されており、太陽電池素子が受ける光によって分離した電子及び正孔の再結合が抑えられる。従って、電子の収集効率の向上を図ることができる。

この従来の太陽電池素子は、以下の手順で製造される。即ち、ｐ型シリコン基板の表面に不純物を拡散してｎ型高濃度拡散層を形成した後、電極が設けられる部分にレジストでマスキングする。この後、レジストによりマスキングされた部分を残してエッチングによりｎ型高濃度拡散層を除去する。これにより、ｎ型高濃度拡散層の残された部分がｎ型高濃度拡散領域とされるとともに、基板の表面に微細な凹凸が形成され、基板に粗面が形成される。この後、レジストを除去し、不純物を再度拡散して基板の粗面にｎ型低濃度拡散領域を形成する。この後、ｎ型高濃度拡散領域上に電極を形成する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１９７９３２号公報

しかし、ｎ型高濃度拡散領域及びｎ型低濃度拡散領域は、いずれも不純物を拡散する拡散工程により個別に形成されるので、それぞれの拡散領域を形成するために、複数回の拡散工程を行わなければならない。拡散工程は長時間を要する工程であるので、拡散工程の回数が複数回になると、太陽電池素子を製造するための製造時間が長時間化してしまう。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、製造時間を短くすることができ、製造を容易にすることができる太陽電池素子の製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係る太陽電池素子の製造方法は、基板の表面に微小凹凸を形成する凹凸形成工程、基板の微小凹凸が形成された部分に不純物を拡散することにより、基板に拡散層を形成する拡散工程、拡散層上の一部に銅フタロシアニンを塗布して熱処理することによってできた拡散層用マスクを設ける拡散層マスク工程、拡散層用マスクが重ねられた部分を残して上記拡散層の厚さをアルカリ溶液によるエッチングで薄くすることにより、拡散層用マスクによって残された拡散層の部分を第１の拡散領域とし、拡散層の厚さが薄くされた部分を第２の拡散領域とする拡散領域形成工程、拡散層用マスクを酸で除去する拡散層マスク除去工程、及び拡散層用マスクを除去した部分に電極を形成する電極形成工程を備えている。

この発明に係る太陽電池素子の製造方法では、拡散層用マスクが重ねられた部分を残して拡散層の厚さをエッチングで薄くすることにより、拡散層用マスクによって残された拡散層の部分を第１の拡散領域とし、拡散層の厚さが薄くされた部分を第２の拡散領域とする拡散領域形成工程を有しているので、２種類の拡散領域を形成するために基板に不純物を拡散させる拡散工程の回数を１回にすることができる。即ち、長時間を要する拡散工程の回数を減らすことができるので、太陽電池素子の製造時間の短縮化を図ることができ、太陽電池素子の製造を容易にすることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による太陽電池素子を示す断面図である。図において、ｐ型の単結晶あるいは多結晶の基板であるシリコンウェハ１の表面には、複数の微小凹凸２が形成された粗面が設けられている。これにより、シリコンウェハ１の受光面積が大きくなり、光の反射率が抑えられる。

粗面上には、所定のパターン形状に形成された表面電極３が設けられている。即ち、表面電極３は、粗面上の一部に設けられている。表面電極３は、太陽電池素子が受ける光によって分離した電子を収集する。微小凹凸２の表面電極３が設けられた表面（部分）には、第１のｎ型拡散領域４が形成されている。また、微小凹凸２の表面電極３以外の表面（部分）には、第２のｎ型拡散領域５が形成されている。

第１のｎ型拡散領域４及び第２のｎ型拡散領域５は、シリコンウェハ１に不純物が高濃度で拡散されることにより形成された領域である。また、第１のｎ型拡散領域４及び第２のｎ型拡散領域５の不純物の各濃度は、互いに同一となっている。さらに、第２のｎ型拡散領域５の厚さは、第１のｎ型拡散領域４の厚さよりも薄くなっている。従って、第２のｎ型拡散領域５の電気抵抗は、第１のｎ型拡散領域４の電気抵抗よりも高くなっている。これにより、電気抵抗の低い第１のｎ型拡散領域４に表面電極３が形成されているので、表面電極３による電子の収集効率の向上が図られる。また、第２のｎ型拡散領域５では、第１のｎ型拡散領域４よりも不純物量が少ないので、太陽電池素子が受ける光によって分離した電子及び正孔の再結合が抑えられ、光から電子への変換効率の向上が図られる。

シリコンウェハ１の粗面上には、太陽電池素子が受ける光の反射率を抑える反射防止膜６が形成されている。反射防止膜６は、第２のｎ型拡散領域５上に形成されている。また、シリコンウェハ１の裏面のほぼ全面には、裏面電極７が形成されている。

次に、製造方法について説明する。図２は、図１の太陽電池素子の製造方法を説明するための断面図である。図に示すように、まず、シリコンウェハ１をフッ化水素や純水で洗浄した後、エッチングによりシリコンウェハ１の表面に微小凹凸２を形成し、シリコンウェハ１に粗面を形成する（図２（ａ））。この例では、アルカリ溶液ＮａＯＨとイソプロピルアルコールとの混合溶液にシリコンウェハ１を浸し、微小凹凸２の高さが１０μｍになるまでウェットエッチングを行う（凹凸形成工程）。

この後、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ_３）ガス中にシリコンウェハ１を配置し、シリコンウェハ１に対して気相拡散法により高温で熱拡散させることにより、微小凹凸２の表面全体にｎ型高濃度拡散層８を形成する（図２（ｂ））。このとき、熱拡散は高濃度で行う。ガス中のリン（不純物）濃度は、オキシ塩化リンガスの濃度、雰囲気温度及び加熱時間により制御される。なお、この例では、ｎ型高濃度拡散層８の厚さが０．２〜０．３μｍとされる（拡散工程）。

この後、シリコンウェハ１の粗面上の一部（表面電極３のパターン形状に対応する所定の範囲）に拡散層用マスク９を形成する（図２（ｃ））。拡散層用マスク９の材料は、アルカリあるいは酸に対する耐性があり、かつマスク除去処理が容易な材料が選択される。拡散層用マスク９の材料としては、例えば銅や鉄、アルミニウム等の金属錯体や、粒径の小さい金属のナノ金属ペースト等が挙げられる。なお、金属錯体は、金属原子を中心として周囲に配位子が結合した構造を持つ化合物である。

この例では、拡散層用マスク９の材料として銅錯体である銅フタロシアニンを選択している。また、拡散層用マスク９の形成は、以下のようにして行う。
即ち、印刷装置やディスペンサ、インクジェット装置等により、シリコンウェハ１の粗面上の所定の範囲に銅フタロシアニンを塗布する。このとき、銅フタロシアニンの塗布を行う範囲は、表面電極３のパターン形状の範囲よりも広くする。例えば、表面電極３の幅が１００μｍとされる場合には、銅フタロシアニンの塗布を行う範囲の幅を１５０μｍとする。この後、シリコンウェハ１を１２０℃で１０分乾燥させた後、４００℃で熱処理する。この結果、厚さが０．２μｍの薄い酸化銅の拡散層用マスク９がシリコンウェハ１の粗面に形成された（拡散層マスク工程）。

この後、水酸化ナトリウムや水酸化カリウム等のアルカリ溶液によりシリコンウェハ１のウェットエッチングを行い、拡散層用マスク９が重ねられた部分を残してｎ型高濃度拡散層８の厚さを薄くする。これにより、拡散層用マスク９によって残されたｎ型高濃度拡散層８の部分が第１のｎ型拡散領域４となり、ｎ型高濃度拡散層８の厚さが薄くなった部分が第２のｎ型拡散領域５となる（図２（ｄ））。ｎ型高濃度拡散層８に対してウェットエッチングを行う量の調整は、アルカリ溶液に浸す時間を調整することにより行われる（拡散領域形成工程）。

この後、シリコンウェハ１の粗面から拡散層用マスク９を除去する（図２（ｅ））。拡散層用マスク９の除去は、シリコンウェハ１の拡散層用マスク９が形成された部分を硫酸や硝酸、フッ酸等の酸に浸すことにより行う。この例では、シリコンウェハ１の拡散層用マスク９が形成された部分を５重量％のフッ酸中に１５秒間浸すことにより、拡散層用マスク９が容易に除去される（拡散層マスク除去工程）。

この後、シリコンウェハ１の粗面上に反射防止膜６を形成する（図２（ｆ））。反射防止膜６の材料としては、例えばシリコン窒化膜等が用いられる。

この後、反射防止膜６上に、拡散層用マスク９を除去した部分に合わせて銀ペースト（金属ペースト）１０をスクリーン印刷法により形成した後、１２０℃で１０分間乾燥する。この例では、ピッチ２０ｍｍで配置された幅１００μｍの範囲に銀ペースト１０を形成する。この後、シリコンウェハ１の裏面のほぼ全面に、２０μｍの厚さのアルミペースト（金属ペースト）１１をスクリーン印刷法により形成した後、１２０℃で１０分間乾燥する（図２（ｇ））。

この後、銀ペースト１０及びアルミペースト１１が形成されたシリコンウェハ１を８００℃の高温で焼成することにより、銀ペースト１０を表面電極３とし、アルミペースト１１を裏面電極７とする。このとき、銀ペースト１０と粗面との間に介在する反射防止膜６が焼成により溶け、焼成後には、表面電極３が粗面上に形成される。これにより、拡散層用マスク９を除去した部分に表面電極３が形成され、シリコンウェハ１の裏面に裏面電極７が形成される（電極形成工程）。このようにして、太陽電池素子が製造される。

完成した太陽電池素子の性能を太陽光シミュレータにより測定したところ、光から電子への変換効率が従来に比べて０．２５％向上した。

このような太陽電池素子の製造方法では、拡散層用マスク９が重ねられた部分を残してｎ型高濃度拡散層８の厚さをエッチングで薄くすることにより、拡散層用マスク９によって残されたｎ型高濃度拡散層８の部分を第１のｎ型拡散領域４とし、ｎ型高濃度拡散層８の厚さが薄くされた部分を第２のｎ型拡散領域５とする拡散領域形成工程を有しているので、２種類の拡散領域４，５を形成するためにシリコンウェハ１に不純物を拡散させる拡散工程の回数を１回にすることができる。即ち、長時間を要する拡散工程の回数を減らすことができるので、太陽電池素子の製造時間の短縮化を図ることができ、太陽電池素子の製造を容易にすることができる。

また、拡散層用マスク９は、金属錯体により構成されているので、ｎ型高濃度拡散層８のエッチングをアルカリ溶液により行うときに拡散層用マスク９のシリコンウェハ１からの剥離の防止を図ることができ、しかも拡散層用マスク９を硫酸等により容易に除去することができる。これにより、太陽電池素子の製造をさらに容易にすることができる。

また、拡散層マスク工程では、拡散層用マスク９がスクリーン印刷法によりｎ型高濃度拡散層８上に設けられるので、拡散層用マスク９をｎ型高濃度拡散層８上に容易に形成することができる。

なお、上記の例では、凹凸形成工程における微小凹凸２の形成がウェットエッチングにより行われるようになっているが、ドライエッチングにより微小凹凸２を形成するようにしてもよい。ドライエッチングとしては、例えばＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）等が挙げられる。このようにすれば、シリコン結晶の面方位によらず微小凹凸２を均一に形成することができ、また微小凹凸２の高さをさらに小さくすることができる。従って、微小凹凸２の高さは、例えば１〜３μｍの高さにすることができる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による太陽電池素子を示す断面図である。図において、シリコンウェハ１の表面には、複数の微小凹凸２が形成された粗面が所定の範囲を残して設けられている。所定の範囲には、平面２１が設けられている。所定のパターン形状に形成された表面電極３は、平面２１上に設けられている。他の構成は実施の形態１と同様である。

次に、製造方法について説明する。図４は、図３の太陽電池素子の製造方法を説明するための断面図である。図に示すように、まず、シリコンウェハ１をフッ化水素や純水で洗浄した後、シリコンウェハ１上の一部（表面電極３のパターン形状に対応する所定の範囲）に基板用マスク２２を形成する（図４（ａ））。基板用マスク２２は、金属錯体により構成されている。基板用マスク２２の形成は、上記実施の形態１における拡散層用マスク９の形成と同様の方法により行う（基板マスク工程）。

この後、基板用マスク２２が重ねられた部分を残してシリコンウェハ１の表面に微小凹凸２を形成し、シリコンウェハ１に粗面を形成する（図４（ｂ））。微小凹凸２の形成は、上記実施の形態１における微小凹凸２の形成と同様の方法により行う（凹凸形成工程）。

この後、基板用マスク２２をシリコンウェハ１から除去する（図４（ｃ））。基板用マスク２２の除去は、上記実施の形態１における拡散層用マスク９の除去と同様の方法により行う。これにより、基板用マスク２２が除去された部分が平面２１として残される（基板マスク除去工程）。

この後、微小凹凸２の表面全体と平面２１とにｎ型高濃度拡散層を形成する。即ち、シリコンウェハ１の微小凹凸が形成された部分と、基板用マスク２２を除去した部分とにｎ型高濃度拡散層を形成する。ｎ型高濃度拡散層の形成は、上記実施の形態１におけるｎ型高濃度拡散層８の形成と同様の方法により行う（拡散工程）。

この後、所定の範囲に設けられている平面２１に拡散層用マスク９を実施の形態１と同様にして形成する（拡散層マスク工程）。この後の手順は、実施の形態１と同様である。

このような太陽電池素子の製造方法では、シリコンウェハ１上の所定の範囲に基板用マスク２２を形成し、基板用マスク２２によって重ねられた部分を残して微小凹凸２を形成した後、基板用マスク２２を除去するので、シリコンウェハ１上に所定のパターン形状の平面２１を設けることができる。従って、平面２１上に表面電極３を設けることができる。

ここで、表面電極３を微小凹凸２上に形成する場合には、表面電極３となる銀ペーストが粗面上に滲んで広がってしまう。この結果、受光面積が減少し、発電量が下がることとなる。これに対して、表面電極３を平面２１上に形成する場合には、銀ペーストが滲んで広がることを抑制することができるので、受光面積の減少を抑制することができる。例えば、１００μｍ幅の銀ペーストをスクリーン印刷法により微小凹凸２上に塗布すると、平均１２０μｍ程度にまで銀ペーストの幅が広がってしまうが、１００μｍ幅の銀ペーストをスクリーン印刷法により平面２１上に塗布すると、銀ペーストの幅の広がりが平均１１０μｍ程度に抑制される。このことから、太陽電池素子の光から電子への変換効率の向上をさらに図ることができる。

また、微小凹凸２が形成された粗面と、平面２１との区別が容易であるので、拡散層用マスク９を形成する位置や表面電極３を形成する位置を容易に特定することができる。従って、太陽電子素子の製造をさらに容易にすることができる。

この発明の実施の形態１による太陽電池素子を示す断面図である。図１の太陽電池素子の製造方法を説明するための断面図であり、図２（ａ）はシリコンウェハに微小凹凸を形成した状態を示す図、図２（ｂ）は微小凹凸にｎ型高濃度拡散層を形成した状態を示す図、図２（ｃ）はｎ型高濃度拡散層上の所定の範囲に拡散層用マスクを形成した状態を示す図、図２（ｄ）はｎ型高濃度拡散層の一部を除去して第１及び第２のｎ型拡散領域を形成した状態を示す図、図２（ｅ）は拡散層用マスクを除去した状態を示す図、図２（ｆ）は第１及び第２のｎ型拡散領域上に反射防止膜を設けた状態を示す図、図２（ｇ）は第１のｎ型拡散領域上に表面電極を形成した状態を示す図である。この発明の実施の形態２による太陽電池素子を示す断面図である。図３の太陽電池素子の製造方法を説明するための断面図であり、図４（ａ）はシリコンウェハ上の所定の範囲に基板用マスクを形成した状態を示す図、図４（ｂ）は基板用マスクを残してシリコンウェハの表面に微小凹凸を形成した状態を示す図、図４（ｃ）は基板用マスクを除去した状態を示す図である。

符号の説明

１シリコンウェハ（基板）、２微小凹凸、３表面電極、４第１のｎ型拡散領域、５第２のｎ型拡散領域、８ｎ型高濃度拡散層、９拡散層用マスク、２２基板用マスク。

Claims

基板の表面に微小凹凸を形成する凹凸形成工程、
上記基板の上記微小凹凸が形成された部分に不純物を拡散することにより、上記基板に拡散層を形成する拡散工程、
上記拡散層上の一部に銅フタロシアニンを塗布して熱処理することによってできた拡散層用マスクを設ける拡散層マスク工程、
上記拡散層用マスクが重ねられた部分を残して上記拡散層の厚さをアルカリ溶液によるエッチングで薄くすることにより、上記拡散層用マスクによって残された上記拡散層の部分を第１の拡散領域とし、上記拡散層の厚さが薄くされた部分を第２の拡散領域とする拡散領域形成工程、
上記拡散層用マスクを酸で除去する拡散層マスク除去工程、及び
上記拡散層用マスクを除去した部分に電極を形成する電極形成工程
を備えていることを特徴とする太陽電池素子の製造方法。
上記拡散層マスク工程では、上記拡散層用マスクがスクリーン印刷法により上記拡散層上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池素子の製造方法。
基板上の一部に基板用マスクを形成する基板マスク工程、
上記基板用マスクが重ねられた部分を残して上記基板の表面に微小凹凸を形成する凹凸形成工程、
上記基板用マスクを除去する基板マスク除去工程、
上記基板の上記微小凹凸が形成された部分と、上記基板用マスクを除去した部分とに不純物を拡散することにより、上記基板に拡散層を形成する拡散工程、
上記拡散工程の後、上記基板用マスクを除去した部分に銅フタロシアニンを塗布して熱処理を行うことによってできた拡散層用マスクを設ける拡散層マスク工程、
上記拡散層用マスクが重ねられた部分を残して上記拡散層の厚さをアルカリ溶液によるエッチングで薄くすることにより、上記拡散層用マスクによって残された上記拡散層の部分を第１の拡散領域とし、上記拡散層の厚さが薄くされた部分を第２の拡散領域とする拡散領域形成工程、
上記拡散層用マスクを酸で除去する拡散層マスク除去工程、及び
上記拡散層用マスクを除去した部分に電極を形成する電極形成工程
を備えていることを特徴とする太陽電池素子の製造方法。